Вакуумные насосы, применяемые в установках для изучения металлов и сплавов при нагреве » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Вакуумные насосы, применяемые в установках для изучения металлов и сплавов при нагреве

15.05.2021

В рабочих камерах большинства установок, применяемых для исследовании методами высокотемпературной металлографии, обычно достаточно разрежение порядка 10в-4/10в-5 мм рт. ст. В некоторых установках, предназначенных для изучения образцов химически активных материалов, на поверхности которых при вакууме 10в-5 мм рт. ст. образуется пленка окислов, остаточное давление снижают до 10в-6 мм рт. ст. и менее, применяя вымораживающие ловушки (охлаждаемые жидким азотом или термоэлектрические). Устройство этих ловушек описано ниже. Разрежение до 1*10в-5 мм рт. ст. легко получить откачкой газа из рабочей камеры при помощи двух последовательно соединенных насосов: ротационного (форвакуумного), создающего остаточное давление до 10в-2—10в-3 мм рт. ст. и работающего преимущественно при вязкостном потоке газа, и паро-масляного диффузионного, обеспечивающего достижение вакуума в указанных выше пределах при молекулярном потоке. Для достаточно быстрой откачки необходимо большое внимание уделять правильному подбору производительности насосов и геометрических размеров трубопровода вакуумной системы.

Ротационные масляные насосы относятся к категории механических насосов с вращающимся ротором и масляным уплотнением. Эти насосы в нашей стране выпускаются трех систем: пластинчатостаторные, пластинчатороторные и золотниковые (плунжерные).
Вакуумные насосы, применяемые в установках для изучения металлов и сплавов при нагреве

На рис. 17, а приведена схема устройства пластинчатостаторного форвакуумного масляного насоса. В корпусе камеры 1 расположен барабан 2, размещенный эксаксиально по отношению к камере, но вращающийся на оси, совпадающий с осью камеры 1. Для балансировки в барабане имеется отверстие 3. Участок цилиндрической поверхности барабана при его вращении соприкасается со стенкой камеры. Зона контакта уплотняется слоем вакуумного масла. Воздух и газы из откачиваемой системы поступают через патрубок 4 в промежуток между корпусом и барабаном и выталкиваются через клапан 5. Всасывающая и выталкивающая стороны насоса разделяются находящейся в статоре насоса металлической перегородкой 6, непрерывно прижимаемой к корпусу пружинящим рычагом 7.

Пластинчатороторные вакуумные насосы отличаются от пластинчатостаторных тем, что на их роторе размещается подвижная уплотняющая пластина.

Золотниковые ротационные насосы (рис. 17, б) рассчитаны, как правило, на более высокую производительность, чем пластинчатостаторные и пластинчатороторные.

Ha валу золотникового насоса при помощи шпонки укреплен эксцентрик 1, расположенный по отношению к корпусу насоса 2 так же, как барабан пластинчатороторного насоса. Эксцентрик золотникового насоса не касается стенок корпуса, а помещен в цилиндрическую обойму 3, снабженную полым штоком 4 прямоугольного сечения. В боковой стенке штока имеется отверстие 5. Обойма со штоком служит поршнем насоса. При вращении поршень прижимается к стенкам камеры и совершает колебательное движение, слагающееся из качания из стороны в сторону и из перемещения вверх и вниз в золотнике 6. При работе насоса обойма скользит вдоль стенки камеры и зона ее касания непрерывно перемещается, так что обойма как бы катится то стенке камеры.

В результате такого движения поршень всасывает откачиваемый газ через патрубок 7 и выталкивает его через клапан 8 и патрубок 9. Для уплотнения в зоне контакта обоймы со стенкой камеры используется вакуумное масло, например марки ВМ-4. Это же масло служит одновременно и смазкой для трущихся частей насоса.

Одно из преимуществ золотниковых насосов по сравнению с пластинчатостаторными и пластинчатороторными — отделение всасывающей стороны насоса от выталкивающей. Газ в золотниковых насосах выталкивается не пластиной, а при помощи поршня, шток которого перемещается по золотнику. Благодаря трению качения между соприкасающимися частями в золотниковых насосах меньше нагрев, что в свою очередь позволяет снижать объем масла в корпусе насосов и уменьшать их габариты по сравнению с пластинчатостаторными и пластинчатороторными насосами такой же производительности.

Золотниковые ротационные вакуумные насосы отечественных конструкций компактны и высоко производительны (табл. 4).

Масло для заливки в ротационные насосы должно иметь низкое давление насыщенных паров. Применяемое обычно масло марки ВМ-4 имеет давление насыщенных паров порядка 10в-4 мм рт. ст., что вполне обеспечивает нормальную эксплуатацию ротационных насосов. Вязкость этого масла по Энглеру при 50 °C должна составлять 5—7 единиц.

В процессе работы ротационного насоса масло постепенно меняет свой состав вследствие разложения и появления более летучих фракций, а также из-за загрязнения примесями, попадающими в виде паров из рабочей камеры. Одна из наиболее вредных примесей — вода.

В зависимости от степени загрузки насоса и характера опытов масло необходимо периодически заменять свежим и не содержащим влаги. Так, при ежедневной 7-часовой работе установок для вакуумной металлографии его следует заменять примерно один раз в год. При эксплуатации необходимо следить за уровнем масла в насосе (через имеющееся смотровое стекло) и периодически доливать его при расходе.

Для установок высокотемпературной металлографии наиболее широко применяют пластинчатостаторные насосы типов BH-46IM производительностью до 0,83 л/сек и PBH-20 производительностью до 3,3 л/сек. Технические данные этих насосов, а также ряда других отечественных ротационных вакуумных насосов помещены в табл 4. На рис. 18, а приведен построенный в логарифмическом масштабе график изменения скорости откачки (сплошные линии) и мощности, потребляемой ротационными насосами различных типов (пунктиром), в зависимости от остаточного давления в вакуумной камере. Все данные — для атмосферного давления (начального) в патрубке, через который производится откачка. В тех случаях, когда насос останавливают при наличии вакуума в патрубке, соединяющем его с откачивающей системой, рабочий объем под действием атмосферного давления постепенно заполняется маслом. Во избежание выхода насоса из строя при пуске его это масло должно быть выброшено из рабочей камеры через выпускной клапан за первый же оборот, что представляет значительные трудности при большой скорости вращения. Чтобы при включении насоса с заполненной маслом рабочей камерой не произошло резкого гидравлического удара, который в ряде случаев может вызвать даже разрушение корпуса насоса, срез шпонки на валу и другие поломки, перед включением электродвигателя необходимо сделать вручную два-три оборота шкива.

При выключении насоса необходимо соединять его корпус с атмосферой, перекрывая вакуумную систему, чтобы предотвратить засасывание масла из корпуса насоса после его остановки. Такая методика, обеспечивающая длительную безаварийную работу, рекомендуется для всех установок.

Для получения разрежения в рабочей камере 10в-4—10в-5 мм рт. ст. и меньше необходимо применять пароструйные диффузионные насосы, соединяемые последовательно с ротационными. Принцип работы пароструйных насосов основан на использовании откачивающего действия струи пара жидкости. Молекулы газа, попадающие со стороны откачиваемой системы в насос в результате диффузии, увлекаются струей пара и перемещаются в сторону выбрасывающего патрубка, соединенного с форвакуумным ротационным насосом. Скорость откачки этим последним насосом должна обеспечивать получение и сохранение остаточного давления ниже критического на выходе пароструйного насоса данного типа.

В качестве жидкости, нагреваемой внутри корпуса пароструйного насоса до температуры кипения, используют ртуть или специальные масла, обладающие низким давлением насыщенных паров (порядка 10в-6 мм рт. ст.).

Достоинства ртути — постоянство температуры ее кипения при данном остаточном давлении, а также неизменность давления насыщенного пара при определенной температуре. Кроме того, ценной особенностью горячей ртути является возможность ее кратковременного соприкосновения с атмосферным воздухом (при аварийных режимах, а также при искусственном введении воздуха в рабочую камеру).

Однако ртутные насосы имеют очень серьезные недостатки. При комнатной температуре давление насыщенного пара ртути, заполняющего весь объем вакуумной системы, составляет около 1 мк рт. ст. Поэтому необходимо применять в вакуумной системе «ловушки» с жидким азотом, вымораживающие пары ртути, что усложняет эксплуатацию установок. Кроме того, пары ртути, хотя и в незначительном количестве, проникают через форвакуумный насос в помещение лаборатории, поэтому необходимо применять специальные защитные меры (изготовление вентиляционных систем и других устройств).

Поэтому, особенно за последние десятилетия, расширилось применение пароструйных масляных насосов, в которых в качестве жидкости, подвергаемой испарению и последующей конденсации, используются различные масла.

В нашей стране большие работы по получению масел, пригодных для пароструйных насосов, путем перегонки в вакууме различных сортов нефтяных масел были выполнены С.В. Птицыным, В.Н. Астафьевым и другими исследователями. Наиболее эффективным оказалось вазелиновое масло, которое под маркой Д-1А широко применяется в отечественной вакуумной технике. Это масло имеет давление насыщенных паров порядка 10в-6 мм рт. ст.

Путем синтеза высокополимерных кремнийорганических соединений К.А. Андрианов с сотрудниками получили группу жидкостей (силиконов), химически инертных, стойких к действию окисления и пригодных для работы в пароструйных насосах.

Немецкая и американская вакуумная техника пошла по пути использования в пароструйных насосах сложных эфиров фталиевой кислоты (фталатов).

Применение различных масел имеет и ряд недостатков. Основной из них — неоднородность состава масел, из-за чего они не имеют определенной точки кипения, а давление насыщенных паров увеличивается в процессе работы насоса, так как образуются более легкие фракции. Кроме того, масло в отличие от ртути боится перегрева и соприкосновения в горячем состоянии с атмосферным воздухом, вызывающим его окисление и разложение тяжелых фракций.

Указанные недостатки устраняются при замене масла кремнийорганическими соединениями, стойкими против температурных воздействий и окисления и имеющими низкое давление насыщенных паров. Дальнейшее совершенствование вакуумных пароструйных насосов будет, по-видимому, неразрывно связано с использованием новых жидкостей, обладающих более высокими эксплуатационными свойствами.

Пароструйные насосы всех типов можно разделить на две группы: простые насосы и фракционирующие. В свою очередь насосы каждой из этих групп можно выполнять в виде одно- или многоступенчатых конструкций.

На рис. 19,а показала схема простого одноступенчатого пароструйного насоса с металлическим корпусом. На дне стального цилиндрического корпуса 1 находится вазелиновое масло 2. Электрическим подогревателем 3 масло нагревается до кипения. По паропроводу 4 пары масла подаются к соплу 5. Выходящие из сопла с большой скоростью струи пара (изображенные стрелками) увлекают за собой молекулы газа, попадающие из откачиваемой камеры в корпус насоса через верхний фланец 6. Пар, поступающий на охлаждаемую проточной водой (циркулирующей в рубашке 7) часть корпуса насоса, конденсируется в виде капелек, которые стекают вниз на дно и затем, нагреваясь вновь, превращаются в пар. Струя пара, выходящая из сопла, передает некоторое количество энергии молекулам газа, попадающим из откачиваемой системы, и направляет их движение в нижнюю часть насоса, откуда они удаляются через патрубок 8 присоединенным к нему ротационным насосом. Предельное разрежение, которое может быть получено при помощи пароструйного насоса, не может быть выше давления паров его рабочей жидкости.

На рис. 19, б изображена схема фракционирующего двухступенчатого пароструйного насоса. Основная особенность конструкции этих насосов — отделение низкокипящих фракций масла от высококипящих. Это достигается путем питания паром верхнего высоковакуумного сопла 1 (обладающего большей скоростью откачки) по паропроводу 2, расположенному в центре дна корпуса насоса 3. В нижнее низковакуумное сопло 4 (обладающее меньшей скоростью откачки) пар поступает по промежутку между паропроводами 2 и 5. Масло 6, нагреваемое подогревателем 7, имеет градиент температуры по диаметру дна корпуса. Конденсированное масло, охлаждаемое при помощи холодильника 8, стекает по стенкам и понижает температуру в зоне испарения, питающей паром нижнее сопло. При этом все летучие фракции масла испаряются при нагреве до температуры кипения в периферийной части дна насоса. Такое разделение позволяет устранить попадание в область высокого вакуума (возле входного фланца насоса 9) легких фракций масла, а также выделить в периферийной зоне испарительной камеры газы, захваченные капельками масла. В пароструйных насосах большой производительности патрубок 10, соединяемый с ротационным насосом, снабжается водяным охлаждением. Таким образом обеспечивается конденсация паров масла, прорывающихся в эту зону.

В табл. 5 приведены характеристики металлических пароструйных масляных высоковакуумных насосов отечественного производства, а на рис. 20 — график зависимости скорости откачки и потребляемой мощности от остаточного давления в вакуумной камере для пароструйных насосов различных типов.

В некоторых конструкциях могут успешно использоваться так называемые угольные адсорбционные насосы, принцип действия которых основан на способности активированного угля поглощать значительные количества осаждающегося на нем газа. При этом необходимо охлаждение активированного угля до низких температур.

Если предположить, что адсорбированные молекулы газа имеют наиболее плотную упаковку (как в твердом веществе), то площадь S, занятая одной молекулой, будет равна

где M — молекулярный вес газа;

N — число Авогадро;

ps — плотность газа в твердом состоянии;

1,091 — множитель, называемый «фактором упаковки».

Подставляя в равенство (24) значение N, получаем

Для наиболее плотной упаковки значение S равно

где b — диаметр молекулы.

Таким образом, из уравнения (26) следует, что

Иначе говоря, площадь, занимаемая молекулой, в 1,103 раза больше, чем ее проекция на плоскость, если считать молекулу шарообразной.

Число молекул, которое может быть адсорбировано на 1 см2 поверхности с образованием мономолекулярного слоя, равно

соответствующий объем газа V0 при 0°С и давлении 760 мм рт. ст. составляет

где S — площадь, занимаемая молекулой и определяемая по уравнению (25) или из плотности газа в твердом состоянии (ps), или в жидком состоянии (pl).

В табл. 6 в столбцах 6, 7, а также 8 и 9 помещены значения S и 1/S, вычисленные по величинам плотности различных газов в твердом и жидком состояниях ps и pl (столбцы 2 и 4). Температура, соответствующая этим плотностям, дана в столбцах 3 и 5 указанной таблицы.

В последнем столбце таблицы приведены объемы V0 в см3 адсорбированных газов каждым см2 поверхности, соответствующие мономолекулярному слою, рассчитанные по значениям 1/Ss.

Интенсивное действие активированного угля в качестве адсорбента обусловлено его высокой удельной поверхностью, составляющей около 775 м2/г.

На рис. 21 приведена примененная в лаборатории, руководимой автором, принципиальная схема вакуумной системы, в которой разрежение порядка 5*10в-6 мм рт. ст. достигается за несколько минут после предварительной откачки до 10в-2 мм рт. ст. Объем вакуумной рабочей камеры 1 составляет около 1 дм3. Koрпyc адсорбционного насоса 2 выполнен в виде медного цилиндра внутренним диаметром 50 мм и длиной 300 мм. По оси цилиндра расположена свернутая в виде трубы медная сетка 3, назначение ее — предотвратить высыпание гранулированного в виде частиц размером около 2 мм активированного угля 4. Предварительная откачка осуществляется ротационным насосом 5 типа ВН-461М через вакуумный кран 6; кран 7 предназначен для впуска воздуха в систему при разгрузке и загрузке вакуумной камеры, а также введения воздуха в корпус насоса, если система оставлена под разрежением во время перерыва в работе.

Перед началом работы адсорбционного насоса систему необходимо предварительно откачать ротационным насосом до остаточного давления в вакуумной камере порядка 10в-2 мм рт. ст., что контролируется по показаниям вакуумметра 8. На это требуется не больше 10 мин. Затем при помощи крана 6 ротационный насос отсоединяют от вакуумной системы, и сосуд Дьюара 9 с жидким азотом 10 устанавливают таким образом, чтобы охлаждался корпус адсорбционного насоса 2. При этом начинается бурный процесс осаждения и поглощения активированным углем газов и паров, имевшихся в вакуумной камере, и за 3—5 мин. остаточное давление падает до 1*10в-5—510в-6 мм рт. ст.

Недостаток описанной системы — необходимость бесперебойного снабжения лаборатории жидким азотом. Кроме того, в процессе экспериментов необходимо следить за тем, чтобы уровень жидкого азота в сосуде Дьюара сохранялся неизменным, так как в противном случае (при падении уровня) адсорбированные пары и газы испаряются. Правда, для автоматического поддержания уровня жидкого азота могут быть применены различные устройства, но это усложняет использование вакуумной системы. Следует отметить, что при эксплуатации насосов активированный уголь необходимо периодически подогревать в вакууме до ~500° в течение 15—20 мин., чтобы удалить адсорбированные на нем газы.

Целесообразно применять адсорбционные угольные насосы в тех случаях, когда получать жидкий азот несложно, а по условиям исследований очень важно отсутствие паров масел или ртути. Изготовление таких насосов собственными силами заинтересованных организаций не представляет сложности (промышленный выпуск их пока не налажен).

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: